RU2036466C1

RU2036466C1 - Process of determination of serviceability of pipes of steam superheater

Info

Publication number: RU2036466C1
Authority: RU
Inventors: Б.Э. Школьникова; М.Ф. Шешенев; Г.А. Урусова; В.В. Белов
Original assignee: Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт
Priority date: 1992-09-17
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 1995-05-27

Abstract

FIELD: study of materials. SUBSTANCE: process of determination of serviceability of pipes of steam superheater consists in cutting of at least one sample of pipe in most probable failure zone, in measurement of its diameter, in testing sample for flattening and in prediction of serviceability by results of test. While flattening sample is so placed that its side corresponding to front side of pipe is positioned in zone of compression. Test for flattening is conducted till first crack in scale in compression zone appears and serviceability of pipe is judged by deformation of sample in this zone. EFFECT: improved efficiency of process. 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к исследованию свойств материала и может быть использовано для определения деформационной способности оксидной защитной пленки на внутренней поверхности труб пароперегревателей из аустенитных и перлитных сталей. The invention relates to the study of material properties and can be used to determine the deformation ability of an oxide protective film on the inner surface of superheater pipes from austenitic and pearlitic steels.

В настоящее время обострилась проблема обеспечения работоспособности пароперегревателей мощных энергоблоков на ряде электростанций, увеличилось число хрупких разрушений труб без увеличения их диаметра. Трещины в металле зарождаются с внутренней стороны трубы в локальных участках, в которых имеются трещины в защитной оксидной пленке. В таких участках происходит образование сквозной коррозионной трещины, что приводит к внутреннему останову котла. Currently, the problem of ensuring the operability of superheaters of powerful power units at a number of power plants has become more acute, the number of brittle pipe failures without increasing their diameter has increased. Cracks in the metal arise from the inside of the pipe in local areas in which there are cracks in the protective oxide film. In such areas, a through corrosion crack forms, which leads to an internal shutdown of the boiler.

Предлагаемый способ позволяет предотвратить опасность таких разрушений. The proposed method allows to prevent the danger of such damage.

Известен способ определения работоспособности труб поверхностей нагрева парогенераторов путем исследования состояния трубы по всей ее длине, в соответствии с которым производят измерение коэрцитивной силы не менее, чем в двух точках по длине трубы, относящихся в зонам с различными тепловыми напряжениями, и по абсолютной величине отбраковочного критерия, представляющего отношение коэрцитивной силы в зоне с меньшим тепловым напряжением к коэрцитивной силе в зоне с большим тепловым напряжением, судят о работоспособности труб: трубы считаются в хорошем состоянии при величине этого отношения 1,1 [1]
Однако этот способ к немагнитным материалам, в частности к аустенитным сталям, из которых изготовлены конвективные пароперегреватели всех блоков мощностью 300-1200 МВт.A known method for determining the performance of pipes of heating surfaces of steam generators by examining the condition of the pipe along its entire length, in accordance with which the coercive force is measured at least at two points along the length of the pipe, relating to zones with different thermal stresses, and the absolute value of the rejection criterion representing the ratio of the coercive force in the zone with lower thermal stress to the coercive force in the zone with higher thermal stress, judge the performance of the pipes: pipes ayutsya in good condition when this ratio 1.1 [1]
However, this method is for non-magnetic materials, in particular austenitic steels, from which convective superheaters of all blocks with a capacity of 300-1200 MW are made.

Известен способ, заключающийся в том, что из наиболее нагретых зон котла, вырезают образцы, измеряют на них толщину окалины на внутренней поверхности труб, по ней определяют глубину коррозии и с помощью специальных номограмм эквивалентную температуру эксплуатации и остаточную долговечность металла [2]
В этом способе отбраковка труб проводится по эквивалентной температуре и уровню длительной прочности, но не учитывается сплошность окалины и потому не предотвращаются хрупкие разрушения труб из-за трещин в окалине на внутренней поверхности труб.A known method is that samples are cut out of the most heated zones of the boiler, the thickness of the scale on the inner surface of the pipes is measured on them, the depth of corrosion is determined from it and, using special nomograms, the equivalent operating temperature and residual durability of the metal [2]
In this method, pipes are rejected at the equivalent temperature and long-term strength, but the continuity of the scale is not taken into account, and therefore brittle pipe fractures due to cracks in the scale on the inner surface of the pipes are not prevented.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения работоспособности пароперегревателя, заключающийся в том, что выбирают зоны наиболее вероятного разрушения, вырезают из труб в этих зонах образцы, измеряют фактические размеры трубы, проводят испытание на сплющивание до получения между сплющивающимися сторонами определенного расстояния Н (мм), фиксированного для каждого типоразмера труб. Это расстояние определяют по формуле
H

, где S номинальная толщина стенки, мм;
D_н номинальный наружный диаметр трубы, мм;
а деформация на единицу длины для углеродистых и легированных сталей а 0,08, для аустенитной стали 12Х18Н12Т а 0,09 (Инструкция И 34-70-013-84 ПО Союзтехэнерго, М. 1985, п.21 и Приложение N 1, пп.2.2 и 3.4).The closest in technical essence to the proposed one is a method for determining the efficiency of a superheater, which consists in choosing the zones of the most probable destruction, cutting out samples from these zones, measuring the actual dimensions of the pipe, and performing a flattening test until a certain distance H is obtained between the flattening sides ( mm) fixed for each pipe size. This distance is determined by the formula
H

where S is the nominal wall thickness, mm;
D _n nominal outer diameter of the pipe, mm;
and the strain per unit length for carbon and alloy steels is 0.08, for austenitic steel 12X18H12T and 0.09 (Instruction I 34-70-013-84 PO Soyuztekhenergo, M. 1985, p.21 and Appendix N 1, paragraphs. 2.2 and 3.4).

В этом способе кроме испытания на сплющивание проводят механические испытания на растяжение и измерение толщины окалины. Трубы считаются пригодными к дальнейшей эксплуатации, если при заданном расстоянии между сплющивающимися сторонами в металле образца нет трещин, механические свойства находятся в пределах установленных норм, а глубина коррозии не превышает допустимые значения. In this method, in addition to the flattening test, mechanical tensile tests and measurement of the thickness of the scale are carried out. Pipes are considered suitable for further operation if, for a given distance between the flattening sides, there are no cracks in the sample metal, mechanical properties are within the established norms, and the corrosion depth does not exceed the permissible values.

Этот способ учитывает качество металла (наличие в нем металлургических дефектов, степень разупрочнения по сравнению с исходным состоянием), скорость общей коррозии с наружной и внутренней стороны трубы, но не учитывает трещиностойкость оксидной пленки и поэтому также не может предотвратить преждевременные хрупкие разрушения труб из-за трещин в окалине в локальных участках труб, хотя качество металла и глубина коррозии удовлетворяют предъявляемым требованиям. This method takes into account the quality of the metal (the presence of metallurgical defects in it, the degree of softening in comparison with the initial state), the rate of general corrosion from the external and internal sides of the pipe, but does not take into account the crack resistance of the oxide film and therefore cannot prevent premature brittle pipe fractures due to cracks in the scale in local sections of pipes, although the quality of the metal and the depth of corrosion satisfy the requirements.

Общим недостатком известных способов является то, что они предназначены для выявления недопустимого перегрева в процессе эксплуатации, тогда как трубы могут разрушиться из-за отклонений в водном режиме, частых пусков и остановов, нарушений режима охлаждения труб при остановках котла. A common disadvantage of the known methods is that they are designed to detect unacceptable overheating during operation, while the pipes can be destroyed due to deviations in the water mode, frequent starts and stops, violations of the pipe cooling mode when the boiler stops.

Отличием предлагаемого способа от прототипа является то, что при сплющивании образец размещают таким образом, чтобы его сторона, соответствующая лобовой стороне трубы, находилась в зоне сжатия, испытание на сплющивание проводят до появления первой трещины в окалине в зоне сжатия, а о работоспособности трубы судят по деформации образца в этой зоне. Это позволяет повысить надежность контроля труб с окалиной на внутренней поверхности. The difference between the proposed method and the prototype is that when flattening the sample is placed so that its side corresponding to the frontal side of the pipe is in the compression zone, the flattening test is carried out until the first crack in the scale in the compression zone appears, and the performance of the pipe is judged by deformation of the sample in this zone. This improves the reliability of control of pipes with scale on the inner surface.

Эксперименты показали, что в котлах, работающих в условиях больших и частых колебаний температур (амплитуда колебаний больше ±30^оС, число колебаний за время пуска больше трех), разрушению металла в локальных участках предшествует разрушение окалины на внутренней поверхности трубы пароперегревателя тонкими трещинами, которые приводят к возникновению электрохимической пары и интенсивной электрохимической коррозии металла щелевого типа, образованию сквозной трещины в трубе и останову котла. Критерий работоспособности трубы деформация сжатия образца ε_кр, соответствующая появлению первой трещины в окалине, предложен на основании того, что при величине деформации ε_кр < 1,3% защитные свойства окалины низкие и в процессе эксплуатации в такой окалине образуются трещины, которые затем вызывают разрушение металла трубы.The experiments showed that in boilers operating under conditions of large and frequent temperature fluctuations (the amplitude of the oscillations is more than ± 30 ^о С, the number of oscillations during the start-up is more than three), the destruction of the metal in the local sections is preceded by the destruction of the scale on the inner surface of the superheater pipe with thin cracks, which lead to the emergence of an electrochemical pair and intense electrochemical corrosion of the slotted metal, the formation of a through crack in the pipe and the shutdown of the boiler. A criterion for pipe performance, compression strain ε _cr corresponding to the appearance of the first crack in the scale, was proposed on the basis that, with a strain value ε _cr <1.3%, the protective properties of the scale are low and cracks form during such operation, which then fracture metal pipe.

На фиг.1 представлен образец в момент появлении трещины в окалине в зоне сжатия в процессе испытания; на фиг.2 зависимость между деформацией в сжатой зоне и увеличением диаметра в продольном направлении. Figure 1 presents the sample at the time of the appearance of a crack in the scale in the compression zone during the test; figure 2 the relationship between the deformation in the compressed zone and the increase in diameter in the longitudinal direction.

Образец 1 с окалиной 2 на его внутренней поверхности находится между плитами 3, из которых нижняя неподвижная, а верхняя подвижная. Микронный индикатор 4 фиксирует расстояние между плитами в момент появления трещины 5 в сжатой зоне образца 1 с лобовой стороны 6. Sample 1 with scale 2 on its inner surface is located between the plates 3, of which the lower one is stationary and the upper one is movable. The micron indicator 4 fixes the distance between the plates at the time of crack 5 in the compressed zone of sample 1 from the front side 6.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

Во время капитального ремонта из труб пароперегревателей, находящихся в зоне наиболее вероятного разрушения, вырезают два-три образца, на которых определяют склонность окалины к трещинообразованию путем испытания на сплющивание. Для этого на инструментальном микроскопе или штангенциркулем измеряют фактические размеры образца: внутренний диаметр D_вн (мм) в направлении лоб-тыл. Затем образец 1 кладут между плитами 3 испытательной установки таким образом, чтобы лобовая сторона образца оказалась в зоне сжатия (фиг.1). Необходимость именно такой установки образца вызвана тем, что как показали многочисленные исследования, оксидная пленка гораздо более чувствительна к напряжениям сжатия, чем к напряжениям растяжения, поэтому образование трещины в пленке происходит в первую очередь в сжатых зонах образца. Склонность пленки к трещинообразованию с лобовой стороны трубы, как правило, выше, чем с тыловой, так как температура металла с лобовой стороны больше и, соответственно, оксидная пленка толще, а с увеличением толщины пленки внутренние напряжения в ней увеличиваются и склонность к трещинообразованию повышается. Накопленный опыт показал, что хрупкие разрушения всегда происходят с лобовой стороны труб. Испытание на сплющивание ведут при непрерывном наблюдении вплоть до появления первой трещины 5 в окалине 2 (фиг.1). По показаниям индикатора 4 фиксируют значение Н (мм), соответствующее этому моменту. Затем измеряют диаметр внутреннего отверстия D_вн ^кp в направлении лоб-тыл, и определяют увеличение диаметра Δ D_вн D_вн ^кр D_вно и по полученному значению прироста диаметра с помощью экспериментально полученной зависимости между деформацией в сжатой зоне ε и увеличением диаметра в продольном лоб-тыл направлении Δ D_вн (фиг.2) определяют значение величины деформации ε_кр, по которому судят о работоспособности трубы. Если ε_кр< 1,3% труба считается неработоспособной. Если ε_кр ≥ 1,3% труба считается работоспособной до следующего капитального ремонта. При этом срок, в течение которого труба сохраняет работоспособность и ее можно оставить в эксплуатации зависит от величины ε_кр и может быть оценен по данным табл.1.During the overhaul, two or three samples are cut out from the pipes of the superheaters in the zone of the most probable destruction, on which the tendency of the scale to crack formation is determined by a flattening test. For this, the actual dimensions of the sample are measured using an instrument microscope or a vernier caliper: the inner diameter D _int (mm) in the front-rear direction. Then, the sample 1 is placed between the plates 3 of the test setup so that the front side of the sample is in the compression zone (figure 1). The need for such a setup of the sample is caused by the fact that, as shown by numerous studies, the oxide film is much more sensitive to compressive stresses than to tensile stresses, therefore, crack formation in the film occurs primarily in the compressed zones of the sample. The tendency of the film to crack on the front side of the pipe is usually higher than on the rear side, since the temperature of the metal on the front side is higher and, accordingly, the oxide film is thicker, and with an increase in the thickness of the film, the internal stresses in it increase and the tendency to crack formation increases. Accumulated experience has shown that brittle fractures always occur on the frontal side of pipes. The flattening test is carried out under continuous observation until the appearance of the first crack 5 in the scale 2 (figure 1). According to the indications of indicator 4, the value of H (mm) is fixed corresponding to this moment. Then measure the diameter of the inner hole D _vn ^kp in the front-rear direction, and determine the increase in diameter Δ D _vn D _vn ^k D _obviously and the obtained value of the increase in diameter using the experimentally obtained relationship between the deformation in the compressed zone ε and the increase in diameter in the longitudinal forehead the rear direction Δ D _int (figure 2) determine the value of the strain ε _cr , which is used to judge the operability of the pipe. If ε _cr <1.3%, the pipe is considered inoperative. If ε _cr ≥ 1.3%, the pipe is considered operational until the next major overhaul. In this case, the period during which the pipe remains operational and can be left in operation depends on the value of ε _cr and can be estimated according to the data in Table 1.

П р и м е р. В конвективных пароперегревателях высокого давления из стали 12Х18Н12Т котлов ТГМП-314 (ст.N 7 и 8) Костромской ГРЭС после 120 тыс.ч. эксплуатации были сделаны вырезки длиной 100 мм из входных и выходных труб пакетов, расположенных в зонах, где наблюдались хрупкие разрушения труб. Номинальные размеры труб составили ⌀ 32х7 и ⌀ 32х6 в котле N 7 и 8 соответственно. Из вырезанных патрубков изготовляли по два образца длиной 30 мм для испытания на сплющивание, с помощью штангенциркуля измеряли внутренний диаметр D_вно.PRI me R. In convective high-pressure superheaters made of steel 12X18H12T of boilers TGMP-314 (stations N 7 and 8) of the Kostroma state district power station after 120 thousand hours In operation, cuts were made with a length of 100 mm from the inlet and outlet pipes of packages located in areas where brittle pipe fractures were observed. The nominal pipe sizes were ⌀ 32x7 and ⌀ 32x6 in the boiler N 7 and 8, respectively. Two samples of 30 mm length were prepared from the cut-off nozzles for flattening tests; the inside diameter D was _obviously measured with a caliper.

Сведения о вырезанных образцах и их размеры, а также результаты испытаний приведены в табл.2. Information about the cut samples and their sizes, as well as the test results are given in table.2.

Образцы располагали на испытательной машине таким образом, чтобы лобовая сторона находилась в зоне сжатия. Проводили испытание на сплющивание до появления первой трещины в окалине с лобовой стороны трубы. По индикатору фиксировали значения Н, соответствующие появлению первой трещины, замеряли внутренний диаметр в направлении лоб-тыл D_вн ^кр(мм), вычисляли увеличение внутреннего диаметра Δ D_вн и по полученным значениям Δ D_вн с помощью зависимости (фиг.2) определяли деформацию в сжатой зоне ε _кр (%). Оказалось, что критическая величина деформаций оксидной пленки на внутренней поверхности исследуемых труб котла N 7 и выходных труб пакетов N 24 и 54 (нитка А) котла N 8 превышает 1,3% поэтому эти трубы считываются работоспособными и могут быть оставлены в эксплуатации до следующего капитального ремонта (табл.2). Деформационная способность выходных труб пакетов N 25 и 51 (нитка Б) котла N 8 низкая ε _кр < 1,30, эти трубы неработоспособны и должны быть либо заменены, либо необходимо восстановить деформационную способность окалины путем корректировки водно-химического режима.Samples were placed on the test machine so that the front side was in the compression zone. A flattening test was performed until the first crack in the scale appeared on the front of the pipe. The indicator recorded the values of H corresponding to the appearance of the first crack, measured the inner diameter in the direction of the front-rear D _vn ^cr (mm), calculated the increase in the internal diameter Δ D _vn and obtained Δ D _vn using the dependence (Fig. 2) determined the deformation in the compressed zone ε _cr (%). It turned out that the critical value of the deformation of the oxide film on the inner surface of the studied pipes of the boiler N 7 and the output pipes of packages N 24 and 54 (thread A) of the boiler N 8 exceeds 1.3%; therefore, these pipes are considered operational and can be left in operation until the next major repair (table 2). The deformation capacity of the outlet pipes of packages N 25 and 51 (thread B) of boiler N 8 is low ε _cr <1.30, these pipes are inoperative and must either be replaced or it is necessary to restore the deformation ability of the scale by adjusting the water chemistry.

Claims

METHOD FOR DETERMINING THE PERFORMANCE OF THE PIPE OF A STEAM HEATER, which consists in cutting out at least one pipe sample from the zones of the most probable failure, measuring its diameter, conducting flattening tests and judging the performance according to the test results, characterized in that the flattening sample is placed so so that its side corresponding to the frontal side of the pipe is in the compression zone, the flattening test is carried out until the first crack in the scale appears in the compression zone, and loss is judged by the deformation of the sample in this zone.